复旦医学细胞生物学课件12遗传信息的流动

遗传信息的流动细胞的遗传物质中所携带的遗传信息，决定了生物体的遗传性状和生物学行为。遗传信息就是DNA分子中碱基的排列顺序。基因的结构基因（gene）是DNA分子中含有特定遗传信息（合成有功能的蛋白质或RNA）的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。真核细胞除核内DNA外，线粒体和叶绿体的DNA分子中也含有基因，被统称为核外基因。从功能上看基因包括编码蛋白质（酶、结构蛋白、阻遏蛋白）的基因、编码tRNA/rRNA的基因以及对表达起调控作用的基因。根据基因的不同表现还有移动基因、间隔基因和重叠基因。间隔基因：基因转录区中位于编码基因之间的，与蛋白质翻译无关的序列。重叠基因（overlappinggene）：同一DNA序列中2个基因的核苷酸序列相互重叠。这种结构使较小的基因组能够携带较多的遗传信息。移动基因/转座子（transposon）Transposon：TransposonsaresegmentsofDNAthatcanmovearoundtodifferentpositionsinthegenomeofasinglecell.Intheprocess,theymaycausemutationsorincrease(ordecrease)theamountofDNAinthegenome.ThesemobilesegmentsofDNAaresometimescalledjumpinggenes.转座子基因的发现者是美国的巴巴拉·麦克林托克(1902-1992)，她于1951年提出移动基因学说，并于1983年获诺贝尔奖。巴巴拉·麦克林托克玉米的遗传性状常表现为叶子和籽粒颜色的样式和斑纹的改变。籽粒上出现斑点由基因突变引起。麦克林托克在研究玉米籽粒颜色的过程中发现，玉米籽粒颜色的变化很不稳定，斑点在单个籽粒形成过程中或出现或消失。对此她提出了一个全新的概念来解释：遗传基因可以移动，能从染色体的一个位置跳到另一个位置，甚至从一条染色体跳到另一条染色体上。她把这种能自发转移的遗传基因称为“转座子”。转座子可编码特殊的蛋白酶，催化转座子从宿主DNA上切除并插入靶位点。当插入到一个新的位置后，转座子对附近基因的功能会造成一定的影响，成为调控序列的一部分，在离开该位置时，它又有可能把一些附近的基因也一起带走。1951年，麦克林托克在专题讨论会上递交了自己的论文，向科学界报告了她的新理论。当时的遗传学家对此却无法理解，麦克林托克受到了空前的冷遇。六七十年代，分子遗传学家找到了愈来愈多的可移动的遗传因子，并且发现这些因子不仅存在于细菌中，同时也存在于较高等的动物中。到80年代初，麦克林托克提出的理论终于被科学界普遍接受。人类核DNA约40％来自于转座子，绝大部分不能进行移动。转座对于改变生物体的遗传组成有重要影响。基因的分子结构割裂基因（splitgene）：在真核生物细胞基因中，编码序列常常被非编码序列隔断，呈现分裂状。一个基因通常包括：转录调控区、转录区、终止子。在结构基因的上游存在着决定转录起始的启动子，它是可被RNA聚合酶识别并结合的特异性DNA序列。转录区包括一个起始密码子（AUG）、编码密码（外显子）和一个终止密码子。转录区还包括两侧非翻译区，它们和编码区当中的间隔序列(内含子)均不被翻译。在结构基因的下游存在的终止子是具有终止转录功能的特定序列，可终止RNA聚合酶继续移动并使之脱落。DNA分子中遗传信息，以复制方式向子代传递；以转录方式向RNA传递，RNA经翻译后产生的蛋白质决定生物性状。遗传密码遗传密码：mRNA上相邻的3个碱基排列形成一个密码子，一个密码子决定一种氨基酸的形成，所有的密码子统称遗传密码。遗传密码特点密码子具有方向性：即阅读方向与mRNA合成方向一致。密码子有兼并性和兼职性：每个密码子三联体决定一种氨基酸，而一种氨基酸可同时有几个密码子编码；在64个密码子中AUG不仅是Met或者fMet(原核细胞)的密码子，也是肽链合成的起始信号，故称起始密码子，UAA、UAG和UGA为终止密码子，不代表任何氨基酸，也称为无意义密码子。密码子有通用性：不论是病毒、原核生物还是真核生物，密码子的含义都是相同的。密码子不重叠，密码子无标点。线粒体mRNA中的密码子与核mRNA的密码子有不同DNA复制半保留复制：在DNA复制时，双链DNA解开，按互补碱基的配对原则，以每一条链为模板以合成其互补链，即可形成两个与亲代完全一样的DNA分子。DNA复制要从DNA分子上特定位置开始。这个特定位置被称为复制起始点。DNA复制从起点开始双向进行直到终点为止，每一个这样的DNA单位称为复制子或复制单元。DNA的复制过程大体上可以分为复制的启动，复制的延伸，和复制的终止三个阶段。复制的起始－－引发（Priming）DNA复制的起始就是引物的合成。DNA聚合酶不能引发DNA新生链的合成，只能在已存在的DNA链或RNA链上延长DNA，因此必须先由引物酶催化引物RNA的合成。DNA聚合酶的特性决定了DNA复制时先在复制起始区合成一段RNA引物。先由DNA螺旋酶将起始点处的DNA双链解开，引发体与特定序列结合，形成复制叉，再由引物酶合成一小段RNA引物，DNA聚合酶再将第一个脱氧核苷酸加在引物3’端开始链的延伸。复制的延伸：在RNA引物的3’-OH端由DNA聚合酶III按碱基互补规则延伸。因此DNA的合成是具有方向性的。前导链：以3’→5’方向的DNA链做模板链的新链合成可以随着复制叉向前移动，连续合成（5’→3’）。后随链：以5’→3’方向的DNA链做模板链的新链合成则不能随着复制叉向前移动，即无法进行连续合成，只能分成许多小片段（okazakifragment）分段合成。每一段新合成的DNA链前有一小段RNA引物，由DNA聚合酶I水解补平，最后由连接酶连接，形成完整的后随链。复制的终止：在DNA上也存在着复制终止位点，DNA复制将在复制终止位点处终止。若两个复制叉相遇时，复制也将终止。复制误差的校对DNA聚合酶本身具有校对作用。RNA引物最终也要被切除掉，这样就提高了DNA复制的准确性。由外界和环境因素引起的DNA损伤也可以通过细胞自身的修复机制加以改正。DNA转录以DNA为模板合成RNA的过程称为转录。（transcription）转录是生物界RNA合成的主要方式，是遗传信息DNA向RNA传递过程，也是基因表达的开始。在DNA的两条链中只有其中一条链可作为模板，这条链叫做模板链（templatestrand），又叫做有义链。DNA双链中另一条不做为模板的链叫做编码链，又叫做反义链。各基因的模板链并不全在同一条DNA链上，转录时可选择不同链的不同区段，将它们转录到同一条RNA上。同一时刻，双螺旋DNA分子中仅有一条链可作为RNA的模板。20世纪60年代RobertRoeder首次发现了RNA聚合酶，可催化RNA链中核苷酸间形成磷酸二酯键。原核细胞和真核细胞中均具有RNA聚合酶。原核生物只有一种RNA聚合酶。真核生物细胞核中有3种RNA聚合酶，分别称为RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，它们专一性地转录不同的基因，由它们催化的转录产物也各不相同。原核生物RNA聚合酶去除σ亚基的部分称核心酶，有RNA聚合酶活性，但不能起始RNA合成。σ亚基与其他部分结合疏松，本身并无催化功能，它的作用是负责模板链的选择与转录的起始，使酶专一识别启动子。真核生物RNA聚合酶RNA聚合酶Ⅰ合成RNA的活性最高，它位于核仁中，负责转录编码rRNA的基因。细胞内绝大部分RNA是rRNA。RNA聚合酶Ⅱ，位于核质中，负责核不均一RNA（hnRNA）和snRNA的合成，而hnRNA是mRNA的前体。RNA聚合酶Ⅲ负责合成tRNA和许多小分子量的核内RNAs。DNA转录合成RNA的方向按5’→3’进行，合成过程分为三个阶段：识别与起始、延长和终止。识别与起始转录是从DNA分子的特定部位开始的，这个部位也是RNA聚合酶全酶结合的部位，也就是启动子（promoter）。启动子处的核苷酸序列具有特殊性。转录的起始是基因表达的关键阶段。RNA聚合酶中的σ亚基识别并专一结合启动子部分的特殊序列，使双螺旋局部解旋，选择模板链并开始转录。在合成磷酸二酯键后，σ亚基解离，由聚合酶中的核心酶部分负责RNA链的延伸。DNA双螺旋在转录时只是暂时局部解旋，转录完毕即恢复双螺旋结构。真核生物的转录过程往往还需要多种蛋白因子的协助，有一类叫做转录因子的蛋白质分子，它们能与RNA聚合酶Ⅱ形成转录起始复合物，共同参与转录起始的过程。RNA链的延长RNA链的延长靠核心酶的催化，在起始复合物上第一个核苷酸的3’-OH上与第二个三磷酸核苷起反应形成第一个磷酸二酯键。聚合后的核苷酸链又有核糖3’-OH游离，这样就可按模板DNA的指引，一个接一个地延长下去。因此RNA链的合成方面也是5’--3。由于DNA链与合成的RNA链具有反平行关系，所以RNA聚合酶是沿着DNA链3’--5’方向移动。整个转录过程是由同一个RNA聚合酶来完成的一个连续不断的反应。转录的终止移动的RNA聚合酶到达特定序列时转录终止，RNA聚合酶脱落，合成的RNA释放，DNA恢复双螺旋结构。DNA链从启动子到终止子的一段长度即是一个转录单位，称为转录子（transcripton）。RNA聚合酶缺乏3’→5’外切酶活性，所以没有校正功能。转录后加工刚合成的mRNA是初级转录物，称为核不均一RNA（hnRNA），必须经过加工才能变为成熟的RNA。原核生物转录生成的mRNA没有转录后加工修饰过程。真核生物转录产生初级转录物为RNA前体，它们必须经过加工过程变为成熟的RNA，才能表现其生物活性。真核生物mRNA的加工修饰，主要包括对5’端和3’端的修饰以及对中间部分进行剪接。5’端加帽：成熟的真核生物mRNA，其结构的5’端都有一个m7G-ppp结构，该结构被称为甲基鸟苷的帽子。5’端帽子结构增加mRNA的稳定性，保护mRNA免遭5’外切核酸酶的攻击，这种帽子结构还可能为核糖体对mRNA的识别提供了信号。3’端加尾：大多数真核mRNA都有3’端的多聚A尾（polyA)，多聚A尾大约有200bp。多聚A尾不是由DNA编码的，而是转录后在核内加上去的。受polyA聚合酶催化，该酶能识别mRNA游离的3’-OH端，并加上约200个A残基。剪接：结构基因中可以含有几十个内含子。经过核酸内切酶作用剪切掉内含子，然后在连接酶作用下将有编码意义的核苷酸片段即外显子首尾相连，才构成完整的mRNA，可送出核外。不论拼接过程如何，拼接必须极为精确，否则会导致遗传信息传递障碍，合成的蛋白质可能丧失其正常的功能。rRNA转录后加工（自我剪接）tRNA转录后加工tRNA前体需进行tRNA前体的5’端前导序列特异性剪切；还要进行碱基修饰将正常核苷酸转变为特殊核苷酸；在核苷酸转移酶作用下，3’-末端除去个别碱基，换上tRNA分子统一的CCA-OH末端，完成tRNA分子中的氨基酸臂结构。蛋白质翻译mRNA从细胞核进入细胞质后，在核糖体上进行蛋白质合成的过程即为翻译（translation）。具体步骤包括：氨基酸的活化、肽链合成起始、肽链的延长和终止。氨基酸的活化及活化后与相应tRNA的结合过程，是由氨基酰tRNA合成酶来催化的。氨基酰tRNA合成酶存在于胞质中，具有高度特异性。它们能识别特异的氨基酸，也能辨认可携带该种氨基酸的特异tRNA分子。氨基酰tRNA以反密码环识别mRNA的密码子，将氨基酸运送到核糖体上合成蛋白质，以D环识别氨基酰tRNA合成酶，以T环与核糖体5SrRNA相识别。蛋白质合成的起始阶段，在起始因子（IF）的作用下，30S亚基与mRNA的起始部位结合，再与甲酰甲硫氨酰tRNA结合，形成30S起始复合体。30S起始复合体一经形成，50S亚基随之与其结合，形成70S起始前复合体。按m